橋面未鋪裝狀態(tài)下帶裂縫現(xiàn)澆箱梁承載力試驗評估研究

劉世建 卓小麗 楊雨厚

（廣西交通科學(xué)研究院有限公司，廣西 南寧 530007）

在橋梁施工過程中，橋梁主要承重結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫、承載能力不明確時，承載力試驗研究具有重要意義。橋梁承載能力試驗評估方法多種多樣，主要有結(jié)構(gòu)檢算法、荷載試驗法、基于可靠理論的方法、實橋調(diào)查分析法、專家經(jīng)驗法等[1-3]。近年來，黃雪欽通過荷載試驗方法對空腹式雙曲拱橋承載能力進行了研究[4]；趙曉輝等人對凝土梁采用體外預(yù)應(yīng)力加固后結(jié)構(gòu)承載能力進行了研究[5]；葛東云利用分段處理法改進了加筋板軸壓極限承載的工程算法，并應(yīng)用于實際工程[6-7]。然而，這些方法主要適用剛剛建成或服役期內(nèi)的橋梁，理論方式對裂縫的模擬與實際情況吻合不佳，成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)受力顯然與施工各階段有關(guān)，不同施工階段結(jié)構(gòu)的受力各不相同，如何準確評價施工階段出現(xiàn)裂縫的橋梁承載力是否滿足要求，是我們需要研究的一個方向。本文對一工程實例中的荷載試驗方法進行了研究，基于相關(guān)規(guī)范要求，通過對橋面鋪裝層未施工狀態(tài)下橋梁混凝土強度、剛度及荷載作用下裂縫發(fā)展趨勢，結(jié)合規(guī)范限值，對裂縫變化情況進行評價。得到了一種帶裂縫現(xiàn)澆箱梁承載力試驗的等效加載方法。有助于準確判斷施工裂縫對結(jié)構(gòu)的影響程度，對于施工過程中發(fā)現(xiàn)施工裂縫后的快速反應(yīng)提供了一個新的思路，保障了橋梁施工階段安全、提高了經(jīng)濟效益。

一、背景工程

某市政橋梁位于某市的中歐產(chǎn)業(yè)園，南北走向，1#跨和2#跨依次跨越一條二級公路和一條高速。橋梁為左右幅結(jié)構(gòu)分離的等截面箱梁橋，單幅橋?qū)?.50m，兩幅之間凈距0.50m。橋梁跨徑總長111.40m，上部結(jié)構(gòu)跨徑組合為（28.9+35.0+24.0+23.5）m，為預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁（支架現(xiàn)澆），單箱單室，梁高1.7m，梁體混凝土為C50。橋臺采用重力式橋臺，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)；橋墩采用鋼筋混凝土方柱墩，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。橋面鋪裝采用8cm厚C50混凝土＋防水層＋9cm瀝青混凝土。支座采用盆式支座，1#和4#橋臺橋面處各設(shè)置一道E-80型伸縮縫。混凝土箱梁橫斷面布置如圖1。

主要技術(shù)標準如下：

（1）設(shè)計荷載等級：城-A級；

（2）單幅橋?qū)挷贾茫?.50m=0.50m（防撞護欄）+7.50m（行車道）+0.50m（防撞護欄）；

（3）橋面橫坡：雙向2.0%。

橋梁在完成箱梁混凝土澆筑、張拉了箱梁預(yù)應(yīng)力筋后，發(fā)現(xiàn)箱梁頂板的頂面出現(xiàn)的較多網(wǎng)狀裂縫，左右幅均有，縫寬0.04～0.20mm之間，縫深大多在1.0～2.5cm范圍，個別縫深達到4.0cm，分布沒有規(guī)律。箱梁分兩次澆筑，第一次澆筑的底板和腹板，第二次澆筑頂板，底板和腹板未出現(xiàn)裂縫。初步判斷，因水泥供貨緊張，澆筑箱梁頂板的水泥剛生產(chǎn)出來就運至施工現(xiàn)場拌合站，水泥本身的溫度還較高，未完成達到安定期，就進行拌合澆筑，加上隨后的養(yǎng)護工作也沒到位，以致頂板出現(xiàn)較多網(wǎng)狀裂縫。現(xiàn)澆箱梁裂縫出現(xiàn)后，采用回彈法、鉆芯取樣方法對箱梁底板和腹板混凝土強度進行了檢測，混凝土強度均滿足設(shè)計要求?，F(xiàn)需要確定頂板開裂后，橋梁的承載能力是否還滿足設(shè)計荷載城-A級的要求，才能進行后續(xù)的橋面鋪裝和護欄的施工，用荷載試驗是最有效最直接的驗證方法。

圖1 現(xiàn)澆箱梁橫截面布置示意圖（單位：cm，試驗時鋪裝層和護欄未施工）

二、試驗評估方法

（一）試驗評估依據(jù)

本項目工程屬于城市橋梁，根據(jù)《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 233-2015）的規(guī)定，鑒定性荷載試驗，靜力荷載試驗效率應(yīng)大于或等于0.95，且不得大于1.05，靜力荷載試驗效率按下式計算[8-9]：

（1）中：ηs— 靜力荷載試驗效率；

Sstat—在加載重車荷載作用下，試驗控制截面的最大彎矩；

Sg—橋面鋪裝層和護欄恒載作用下，試驗控制截面的彎矩；

Sk—汽車荷載作用下，控制截面的彎矩（未包括汽車沖擊力產(chǎn)生的彎矩）；

μ—設(shè)計沖擊系數(shù)。

（二）有限元計算

選取有網(wǎng)裂較嚴重的的東福1#和2#跨進行荷載試驗，以判斷箱梁整體和開裂處局部承載能力是否滿足設(shè)計荷載等級要求。采用配重卡車進行等效加載，箱梁整體承載力以彎矩作為控制參數(shù)，裂縫處局部以裂縫的實際加載變化情況來分析[10-11]。試驗時橋面鋪裝層中8cm厚C50混凝土調(diào)平層和9cm厚瀝青混凝土、防撞護欄均尚未施工，因此，試驗的等效彎矩計算效應(yīng)值除包含汽車荷載外，也需包含橋面鋪裝和防撞護欄等效彎矩值。

如圖2所示，采用限元軟件MIDAS/Civil對1#跨～4#跨進行結(jié)構(gòu)分析，全橋共建立379個節(jié)點，366個梁單元，彈性連接模擬墩柱與主梁之間的約束，活動鉸支座設(shè)置于1#墩，其它支座為固定鉸支座。設(shè)計活載作用下結(jié)構(gòu)豎向變形及箱梁下緣應(yīng)力情況見圖3和圖4，其中結(jié)構(gòu)豎向撓度最大為-14.12mm,下緣最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別為6.33MPa和-5.23MPa，根據(jù)公式（1），即在承載力現(xiàn)場試驗時需要達到相應(yīng)設(shè)計活載作用下結(jié)構(gòu)的效應(yīng)值。

圖2 東幅（1#跨～4#跨）有限元模型示意圖

圖3 東幅（1#跨～4#跨）設(shè)計活載作用下豎向撓度計算圖

圖4 東幅（1#跨～4#跨）設(shè)計活載作用下箱梁下緣應(yīng)力計算圖

（三）試驗評估內(nèi)容

1.荷載試驗工況

荷載試驗安排6個試驗工況，包括正載、偏載和箱梁頂板該跨較寬裂縫處局部加載工況，其中偏載工況偏于路線東側(cè)。控制截面布置見圖5，各工況及加載效率見表1。

表1 荷載試驗工況及靜力荷載試驗效率表

圖5 東幅1#跨和2#跨試驗控制截面布置示意圖（單位：cm）

2.撓度測點

撓度測點布置在橋面，采用精密水準儀進行觀測?？v橋向布置在試驗跨的四分點，1#跨控制截面A1也作為撓度測試截面。橫橋向考慮箱梁剛度較大，在左右側(cè)各布置一個測點。縱橋向撓度測點布置如圖6，縱橋向撓度測點布置如圖7。

圖6 撓度測點縱向布置示意圖（單位：cm）

圖7 撓度測點橫向布置示意圖（單位：cm，試驗時鋪裝層和護欄未施工）

3.應(yīng)變測點

應(yīng)變測點布置在橋梁底部，采用自帶溫度補償?shù)膽?yīng)變片進行測試?？v橋向布置在試驗跨的控制截面A1、Z1和A2處，如圖5。橫橋向應(yīng)變測點布置如圖8。

圖8 應(yīng)變測點橫向布置示意圖（單位：cm，試驗時鋪裝層和護欄未施工）

4.裂縫測點

在控制截面A1和A2附近各標記5條有代表性的裂縫，在相對應(yīng)的試驗工況加載時，觀測其是否有擴展，并檢查控制截面附近是否有新的裂縫出現(xiàn)。

在試驗跨跨中附近各選取一條縫寬在0.15mm以上、縫深接近4.0cm的縱向裂縫，分別編號為LF1和LF2，試驗時利用既定重車縱向布置，軸重20噸的其中一輪位直接加載于裂縫處，采用裂縫測寬儀對縫寬進行動態(tài)測試，判斷裂縫擴展和恢復(fù)情況滿足規(guī)范要求，測點布置如圖9。

三、試驗評估結(jié)果分析

（1）撓度測試結(jié)果分析

根據(jù)最不利原則，對受力相對不利的1#跨進行分析。如圖10，在各試驗工況下，控制截面撓度的校驗系數(shù)在0.654～0.669之間，均小于1.0，說明試驗跨的整體剛度滿足要求；且各工況下最大相對殘余撓度為6.5%，小于20%，說明結(jié)構(gòu)在等效荷載作用下處于彈性受力狀態(tài)。

圖9 裂縫測點布置圖

圖10 工況1和工況2滿載時撓度校驗系數(shù)圖

（2）應(yīng)變測試結(jié)果分析

如圖11，在各試驗試驗工況下，根據(jù)各測點應(yīng)變校驗系數(shù)計算出控制截面應(yīng)變平均值的校驗系數(shù)，其值在0.665～0.798之間，均小于1.0，說明試驗跨的整體強度滿足要求；且各工況下最大相對殘余應(yīng)變分別為3.5%，遠小于20%，說明結(jié)構(gòu)在等效荷載作用下處于彈性受力狀態(tài)。

圖11 各工況滿載時各測點應(yīng)變校驗系數(shù)圖

（3）裂縫變化情況分析

各工況1～工況4加載過程中，控制截面附近標記的裂縫未見擴展，同時未見有新的裂縫產(chǎn)生。工況4下的LF1和工況5下的LF2變化情況見表2。考慮裂縫為非受力裂縫，其縫寬未超過0.20mm，加載時裂縫寬度變化微小，卸載后恢復(fù)原狀，縫寬和縫長均未擴展。因此，裂縫測試結(jié)果滿足規(guī)范要求。

表2 工況4下的LF1和工況5下的LF2變化情況表

四、結(jié)論

本文采用重卡車對網(wǎng)裂較嚴重的東幅1#跨和2#跨進行等效加載試驗，通過對橋面鋪裝層未施工狀態(tài)下橋梁混凝土強度、剛度及荷載作用下裂縫發(fā)展趨勢的評估研究得到了一些有益結(jié)論：

（1）在各試驗工況下，各對應(yīng)的控制截面以及各測試截面撓度校驗系數(shù)均小于1.0，說明箱梁的整體剛度滿足要求；各控制截面各測點應(yīng)變值以及應(yīng)變平均值的校驗系數(shù)均小于1.0，說明箱梁整體強度滿足要求；所有工況下最大相對殘余撓度和最大相對殘余應(yīng)變均小于20%，說明結(jié)構(gòu)在等效荷載作用下處于彈性受力狀態(tài)；（2）在箱梁整體性的試驗工況下，箱梁表面裂縫長度未見擴展，沒有新的裂縫產(chǎn)生；裂縫在局部加載工況下，裂縫的動態(tài)變化滿足規(guī)范要求；（3）橋面鋪裝層未施工狀態(tài)下橋梁的承載能力確定時，通過等效加載的方式代替設(shè)計荷載，這種方法易于實現(xiàn)，且偏于安全；（4）帶裂縫現(xiàn)澆箱梁承載力試驗的等效加載方法，有助于準確判斷施工裂縫對結(jié)構(gòu)的影響、提高施工安全及經(jīng)濟效益。